专利名称：致动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及聚合物致动器，并且更特别地，涉及由于离子响应于所施加的电场的迁移而引起弯曲或变形的聚合物致动器。
背景技术：
由离子导电聚合物(离子交换树脂)制成的致动器作为一种重量轻且产生较大的力的新型致动器正在引起人们的关注。通常，聚合物致动器具有两个电极层，分别位于离子导电聚合物(离子交换树脂)膜的两侧。离子导电聚合物包括水或其它离子导电介质及离子。在该聚合物致动器中，离子在离子导电聚合物层中迁移，由此使迁移所在的同一层弯曲或变形。
然而，过去使用水作为离子导电介质的聚合物致动器当其由于水的蒸发而干涸时将不再能工作。因此，提出了使用离子性液体的聚合物致动器(例如，见日本专利特开2007-143300、日本专利特开2007-329334、日本专利特开2008-86185、日本专利特开 2008-251697，下文中分别称为专利文献1到专利文献4)。离子性液体是处于室温且非挥发性的液态盐。使用这种液体使得不需要水或其它离子导电介质，由此扩展了聚合物致动器的应用范围并提供了改进的可靠性。
另外，专利文献1和专利文献2中说明的聚合物致动器具有通过用组合物涂覆离子导电聚合物膜的两侧而形成的电极层。该组合物通过将碳粉分散到离子导电聚合物而产生。用离子导电聚合物和碳粉形成电极层提供了改进的生产率和降低的制造成本。
发明内容
然而，如专利文献1到专利文献4所述的，过去使用离子液的聚合物致动器变形 (操作)较慢并且以不规则的方式变形。
根据先前的问题，本发明需要提供操作快速并能较大程度地变形的聚合物致动器。
根据本发明的致动器包括离子导电聚合物层；一对电极层；和离子。离子导电聚合物层由第一离子导电聚合物制成。一对电极层被设置在离子导电聚合物层的各侧并由第二离子导电聚合物和导电粉制成。离子被包含在离子导电聚合物层和电极层中。第一离子导电聚合物和第二离子导电聚合物彼此在官能团类型上不同。
在本发明中，离子导电聚合物层和电极层彼此在官能团类型上不同。结果，离子易于在离子导电聚合物层中迁移。电极层由于斥力而较大程度地扩展。
在本致动器中，第一离子导电聚合物和第二离子导电聚合物彼此在官能团极性上不同 如果第一离子导电聚合物具有负离子㈠官能团，并且第二离子导电聚合物具有正离子(+)官能团，则能够使用具有磺酸基团((-SO3H)或羧基团(-C00H)的离子导电聚合物作为第一离子导电聚合物，并且使用具有季铵团的离子导电聚合物作为第二离子导电聚合物。
另外，能使用离子液作为离子。
再另外，能使用碳粉作为导电粉。
又另外，可以在各电极层上设置金属导电层。
在本实施方式中，离子导电聚合物层和电极层彼此在官能团类型上不同。这有助于离子在离子导电聚合物层中具有更高的迁移速度，并有助于在电极层中的离子之间产生更大的斥力，由此提供比过去的致动器操作更为快速并且更大程度地变形的聚合物致动
ο
图1是示意性地示出根据本发明的第一实施方式的致动器的构造的截面图； 图2A到图2C是示意性地示出图1中示出的致动器的操作的图，并且图2A和图2C 示出了施加有电压的致动器，图2B示出了未施加电压的致动器； 图3A到图3C是分步地示出图1中示出的致动器的操作原理的示意图； 图4A到图4C是分步地示出根据本发明的第二实施方式的致动器的操作原理的示意图；和 图5是示意性地示出根据本发明的变形例的致动器的构造的截面图。
具体实施例方式下面将参考附图给出本发明的实施方式的详细说明。应注意，本发明并不局限于下面说明的实施方式。还应注意，将以如下顺序给出说明。
1.第一实施方式(在该实例中，离子导电聚合物层和电极层的官能团类型彼此不同) 2.第二实施方式(在该实例中，离子导电聚合物层和电极层的官能团的数目彼此不同) 3.第三实施方式(在该实例中，设置了金属导电层) <1.第一实施方式> [总体构造] 首先将说明根据本发明的第一实施方式的致动器。图1是示意性地示出根据本实施方式的致动器的构造的截面图。如图1所示，根据本实施方式的致动器1包括一对电极层3a和3b，离子导电聚合物层2被设置在电极层3a和3b之间。离子导电聚合物层2及电极层3a和3b包括正离子和负离子，以这样的方式使得离子能够根据所施加的电场迁移。 在另一方面，导线4a和导线4b分别连接到电极层3a和3b。给定电压经由导线4a和导线 4b从外部电源(未示出)被施加在同一层3a和3b之间。
[离子导电聚合物层2] 离子导电聚合物层2包括由具有导电性能的离子导电聚合物制成的膜或其它材料，这种导电性能是由于聚合物链之间的离子的传播形成的。这些离子导电聚合物比如是氟基或烃基离子交换树脂。负离子(阴离子)和正离子(阳离子)交换树脂两者都能用于根据本实施方式的致动器。
例如，如果正离子存在于离子导电聚合物层2及电极层3a和3b，优选地应使用具有阴离子性(_)官能团的正离子交换树脂或其它树脂作为构成离子导电聚合物层2的离子导电聚合物。这样正离子交换树脂例如是聚乙烯基树脂、聚苯乙烯基树脂、氟基树脂或其它树脂，在这些树脂中整合有磺酸基团(-SO3H)、羧基团(-C00H)或其它阴离子性(_)团。尤其，这里整合的具有磺酸基团或羧基团的氟基树脂是适当的。
在另一方面，如果负离子存在于离子导电聚合物层2及电极层3a和3b，优选地应使用具有阳离子(+)官能团的负离子交换树脂或其它树脂作为构成离子导电聚合物层2的离子导电聚合物。这样负离子交换树脂例如是聚乙烯基树脂、聚苯乙烯基树脂、氟基树脂或其它树脂，在这些树脂中整合有阳离子(+)团。最重要的是，这里整合的具有季铵团的氟基树脂是适当的。
如上所述，由具有其中整合有磺酸团或羧基团的氟基树脂制成的正离子交换树脂和由其中整合有季铵团的氟基树脂的负离子交换树脂有选择地使正离子或负离子通过。因此，使用这些离子交换树脂中的一种树脂能使正离子或负离子在施加电压时迁移的更快。
应注意，离子导电聚合物层2的形状并不局限于图1中所示的片状。替换地，离子导电聚合物层2能是带状、盘状、筒状或任何其它所希望的形状。另外，其厚度也并不特别地局限于此，而可以根据例如致动器1的形状和大小来适当地确定。如果离子导电聚合物层2是带状的，则离子导电聚合物2的厚度应优选地是30 μ m到200 μ m。
[电极层3a和电极层3b] 电极层3a和3b主要由离子导电聚合物和导电粉制成。构成电极层3a和3b的离子导电聚合物的官能团极性与构成离子导电聚合物层2的官能团的极性不同。因此，如果构成离子导电聚合物层2的离子导电聚合物具有阴离子性(-)官能团，则构成电极层3a和 3b的官能团具有阳离子性(+)官能团。
如上所述，如果构成离子导电聚合物层2的离子导电聚合物相对于构成电极层3a 和3b的离子导电聚合物是阳性的，则离子导电聚合物层中的离子迁移速度将被增强，并且电极层3a和3b将有更大程度的扩展。应注意，如上所述的离子导电聚合物层2那样，能够使用具有比如磺酸基团、羧基团或季铵团的官能团的离子交换树脂作为电极层3a和3b。
在另一方面，能够使用包括金(Au)、碳粉或其它粉的精细金属粉作为导电粉。尽管未特别地限定，其颗粒大小能是例如20nm到50nm。导电粉的颗粒尺寸越小，每单位体积的特定表面越大，并且导电粉能够吸引的离子就越多。结果，致动器产生较大程度的变形。然而，应注意，过小的颗粒尺寸会使得粉难以分散，导致更为糟糕的特性，而不是更好的特性。 例如，如果使用碳粉作为导电粉，则其特定表面面积越大，聚集在粉的周围的离子越多。因此，优选地应使用比如碳黑的具有较大的特定表面面积的碳粉。这提供了较大程度的变形。
应注意，电极层3a和3b的厚度和形状能够根据例如上述的离子导电聚合物层2 的形状和尺寸来适当地确定。例如，如果离子导电聚合物层2的厚度是50 μ m,则电极层3a 和3b的厚度能够是10 μ m到100 μ m。
[离子] 根据本实施方式的致动器1中包含的离子例如是金属离子、有机离子和离子液。 更具体地，金属离子可以是钠离子、钾离子、锂离子和镁离子。有机离子可以是烃基铵离子。 应注意，可能需要水或其它溶剂以使致动器1包含金属离子和有机离子。致动器1优选地应被密封以防止溶剂挥发。
在另一方面，离子液是离子(负离子或阳离子)制成的盐。也称作室温熔化盐的离子液显示出的特性包括不燃性、不挥发性、高的离子导电性和高的耐热性。离子液可以是咪唑嗡基离子液、十六烷基吡啶嗡基离子液和脂族离子液。如果使用离子液，则不需要在离子导电聚合物层2中包含水。这使得不需要防挥发处理并增强了致动器1的应用范围。
[制造方法] 正面将采用其中包括有正离子的情况作为实例，来说明根据本实施方式的致动器 1的制造方法。首先，比如碳粉的导电粉与具有阳离子官能团的离子导电聚合物一起分散在溶剂中以将混合物制备成涂料形式。此时能使用能溶解离子导电聚合物的挥发性溶剂。在另一方面，能够通过混合多种溶剂来制备分散溶剂。另外，溶剂在分散之后例如能够用乙醇来稀释。
在另一方面，离子导电聚合物和导电粉之间的混合比并不特别地限定，而是可以根据致动器1的形状、离子导电聚合物层2及电极层3a和3b的厚度、和导电粉的类型来适当地确定。例如，如果使用碳粉，则离子导电聚合物和碳粉的质量混合比能够是1 1到 1 10。
接着，用制备的涂料涂覆由具有阴离子性官能团的离子导电聚合物制成的离子导电聚合物层2的两侧。然后，从涂料中去除溶剂以形成具有给定的厚度的电极层3a和3b。 此时，涂覆方法并不特别地限定，并且能够使用包括滚涂、喷涂、浸涂和丝网印刷的公知的方法。在另一方面，离子导电聚合物层2可以采用多个步骤来用涂料进行涂覆。在该实例中，离子导电聚合物的官能团的类型可以逐层改变。这在电极层3a和3b中产生离子的梯度分布。
应注意，形成电极层的方法并不局限于涂覆包括导电粉的涂料，而也能够应用多种其它的方法。例如，能够通过将片材(膜)堆叠在离子导电聚合物层2上而形成电极层 3a和3b。该片材由离子导电聚合物和导电粉制成。
接着，使离子导电聚合物层2和电极层3a和3b包括正离子。更具体地，形成于离子导电聚合物层2的各侧的电极层3a和3b被浸入水性溶剂、包括正离子的离子液或其它溶剂，由此用正离子浸渍离子导电聚合物层2、电极层3a和3b。
[操作] 下面将采用其中包括有正离子的情况作为实例，来说明根据本实施方式的致动器 1的操作。图2A到图2C是示意性地说明图1中示出的致动器1的操作的图。图2A和图 2C示出了施加有电压的致动器1。图2B示出了未施加有电压的致动器。在另一方面，图3A 到图3C是分步地说明图1中示出的致动器1的操作原理的示意图。
如图2B所示，根据本实施方式的致动器1在未施加电压时是直的，因为离子在其中均勻分布。如图2A和图2C所示，在另一方面，当从外部电源7 (未示出)在电极层之间施加电压时，离子根据所施加的电压的极性而迁移向一个电极层。例如，如果在致动器1中包括正离子，则离子聚集在负电极层，而正电极层中的离子数目减少。由于不均勻的分布而引起的浓度差异导致两个电极层之间的体积差异，从而使致动器1弯曲。
例如，当正电势被施加到电极层3a，并且负电势被施加到电极层3b时，如图3A所示，电极层3a中的正离子5经由离子导电聚合物层2迁移到电极层3b。此时，如果电极层3a具有阳离子性官能团，并且离子导电聚合物层2具有阴离子性官能团，则正离子5被离子导电聚合物层2中的阴离子性官能团吸引，而不是被电极层3a中的极性与离子导电聚合物层2中的阴离子性官能团相反的阳离子性官能团吸引。这允许正离子5更易于穿过离子导电聚合物层2，由此提供了致动器1的更高的操作速度。
在另一方面，如果电极层3b具有阳离子性官能团，如图3B和图3C所示，则在已经到达电极层3b的正离子5和具有与正离子5的极性相同的极性的阳离子性官能团之间产生斥力，由此使电极层3b更多地扩展。这使电极层3b更大程度地变形(弯曲)。
应注意，如果在致动器中包括负离子，或者如果在电极层3a和3b之间施加极性相反的电势，则致动器1的弯曲方向与图2A和图2C中所示方向相反。另外，致动器1的弯曲方向易于通过切换所施加的电压的极性进行控制。
如上所述，适于排斥离子的官能团被整合到根据本实施方式的致动器的电极层中。这使得可以有较大的体积变化(扩展)。在另一方面，具有优良的离子亲和性的官能团被整合到离子导电聚合物层中。这使得离子易于迁移，由此有助于其产生更高的迁移速度。 结果，能实现操作快速且更大程度地变形的聚合物致动器。
应注意，在根据本实施方式的致动器中，离子导电聚合物层的离子导电聚合物的极性与电极层的极性相反。但是，本发明并不局限于此，并且只要离子导电聚合物层和电极层在官能类型方面彼此不同，就能应用本发明。例如，如果离子导电聚合物层和电极层的官能团虽然极性一致，但对于离子的排斥力或亲和力不同，也能实现相同的效果。
<2.第二实施方式> [总体构造] 正面将说明根据本发明的第二实施方式的致动器。除离子导电聚合物层和电极层在官能团的数目方面彼此不同之外，根据本实施方式的致动器与根据第一实施方式的致动器是相同的。
[离子导电聚合物和电极层] 构成离子导电聚合物层和电极层的离子导电聚合物能包括阴离子性官能团或阳离子性官能团。但是，如果在致动器中存在正离子，则优选地应使用具有阴离子性官能团的正离子交换树脂或其它树脂作为构成离子导电聚合物层和电极层的离子导电聚合物。在另一方面，如果在致动器中存在负离子，则优选地应使用具有阳离子性官能团的负离子交换树脂或其它树脂作为构成离子导电聚合物层和电极层的离子导电聚合物。
关于官能团的数目，在另一方面，离子导电聚合物层优选地应具有比电极层更多的官能团。这使得离子易于在官能团之间迁移。应注意到，术语“官能团的数目”指由每单位质量或等效重量(EW)的官能团的数目所表示的数目。在另一方面，只要离子导电聚合物层和电极层之间在官能团的数目上存在差异，就能实现前述的效果，然而差异能是微小的。
[制造方法] 根据本实施方式的致动器能通过与根据第一实施方式的致动器的制造方法相同的制造方法制造出来。为制造包括正离子的致动器，例如，需要首先将导电粉与具有阴离子官能团的离子导电聚合物一起分散在溶剂中以将混合物制备成涂料形式，然后用所制备的涂料涂覆由具有阴离子性官能团的离子导电聚合物制成离子导电聚合物层的两侧。
此时，电极性的官能团的数目必须小于离子导电聚合物层的官能团的数目。例如，如果具有磺酸基团并且官能团EW的数目约为700g/meg的离子导电聚合物膜被用作离子导电聚合物层，则电极层必须以1 1的比率包括官能团EW的数目为llOOg/meq左右的离子导电聚合物和碳粉。应注意，离子导电聚合物和导电粉之间的弯曲比率并未特别地限定，而能根据例如导电粉的类型和离子导电聚合物层中的官能团的数目适当地确定。
另外，形成电极层的方法并不局限于用包括导电粉的涂料进行涂覆。例如，电极层能通过在离子导电聚合物层上堆叠片材(膜)来形成。该片材由离子导电聚合物和导电粉制成。在该情况中，各电极层可以是多层的，从而能通过改变各电极层的逐层间的官能团的数目而在电极层中产生官能团的数目的梯度分布。
[操作] 正面将通过采用其中包括有正离子的情况作为实例，来说明根据本实施方式的致动器的操作。图4A到图4C是分步地示出根据本实施方式的致动器的操作原理的示意图。 如根据第一实施方式的致动器1，根据本实施方式的致动器10在未实施有电压时是直的， 这是因为其中的离子均勻分布。在另一方面，当电压从外部电源(未示出)被施加到电极层之间时，离子根据所施加的电压的极性而迁移到一个电极层。由于不均勻分布导致的浓度差异使两个电极层之间产生体积差异，使致动器10弯曲(变形)。
此时，当例如正电势被施加到电极层13a、负电势被施加到电极层13b时，如图4a 所示，电极层13a中的正离子5通过离子导电聚合物层12迁移到电极层13b。此时，如果离子导电聚合物层12具有比电极层13a更多的官能团，正离子5能够易于从一个官能团迁移到另一个官能团。这使得正离子5易于穿过离子导电聚合物层12，由此提高了致动器的更高的操作速度。
接着，已经到达电极层13b的正离子5和电极层13b中的官能团由于它们的性能不同而彼此吸引，如图4B所示。然后，在具有更少的官能团数目的电极层13b中，较大的斥力在在已经到达电极层13b的正离子5产生，导致电极层13b由于离子的数目增加而更大程度地扩展。这有助于增加致动器10的变形(弯曲)。
在另一方面，如果在致动器10中包括正离子和负离子，正离子引起的变形可能会被离子的迁移所阻碍。然而，在致动器10中，极性与负离子相同的大量的官能团被整合在离子导电聚合物层12中。这使得负离子难以在离子导电聚合物层12中迁移，由此阻碍了变形的减小。
另外，如果所施加的电压被设定为低于使负离子能够穿过离子导电聚合物层12 的电压，能够消除负离子的冲击，由此使得能够基于正离子确定致动器将变形的程度。结果，当给定的电压被施加到致动器时，变形会表现出简单的增加的趋势。这不仅使变形增大而且也提高了变形速度。
应注意，如果反向极性的电势被施加到电极层13a和13b之间，正离子5将沿相反方向迁移，即，致动器10将沿相反方向弯曲。在另一方面，如果致动器由于负离子的迁移而弯曲或变形，则通过使用具有比如季铵团的阳离子性官能团的离子导电聚合物实现相同的效果。
在根据本实施方式的致动器中，极性与有助于变形的离子的极性相反的官能团被整合在离子导电聚合物层和电极层中。另外，离子导电聚合物层比电极层具有更多的这样的官能团。这使得离子导电聚合物层中的离子易于迁移，由此有助于离子导电聚合物层中的离子具有更高的迁移速度。这使致动器具有更高的操作速度。另外，电极层具有小的数量的官能团。结果，在离子间产生大的排斥力，由此有助于增加变形。这使致动器操作快速且很大程度地变形。
应注意，根据本实施方式的致动器与根据第一实施方式的致动器除在如上的构造、操作和效果方面之外，在其它方面是相同的。
<3.变形例 > 正面将说明根据第一实施方式和第二实施方式的变形例的致动器。图5是示意性示出根据变形例的致动器的构造的截面图。应注意，与图1中示出的部件相同的部件标注为相同的参考序号，并且将省略关于它们的详细说明。如图5中所示，根据本变形例的致动器20包括在其间设置有离子导电聚合物层2的一对电极层3a和3b。金属导电层7a和7b 分别形成在电极层3a和3b上。在致动器20中，导线4a和4b分别连接到金属导电层7a和 7b。给定的电压经由导线4a和4b从外部电源(未示出)被施加到电极层3a和3b之间。
[金属导电层7a和7b] 金属导电层7a和7b能够用比如金或钼的高导电的并且抗氧化的金属材料形成。 金属导电层7a和7b的厚度并不局限于此。然而，这些层优选地具有用以提供连续的膜的厚度，从而使导线4a和4b的电压均勻地施加于电极层3a和3b。因此，更为优选地，金属导电层7a和7b具有的厚度能提供1 Ω或更小的表面阻抗。在另一方面，形成金属导电层7a 和7b的方法并不特别地限定，并且能使用包括电镀、蒸镀和溅射的公知的方法。
在根据本变形例的致动器20中，金属导电层7a和7b分别设置在电极层3a和3b上。结果，表面阻抗足够的低，由此使电压被均勻地施加于整个致动器，由此使整个致动器均勻地弯曲。
虽然在本变形例中，已经说明了其中金属导电层7a和7b设置在根据图1中所示的第一实施方式的致动器1中，当然在金属导电层7a和7b被设置在根据第二实施方式的致动器中时也能实现相同的效果。应注意，根据本变形例的致动器与根据第一实施方式和第二实施方式的致动器除整体构造、操作和效果之外，在其它方面是相同的。
本申请包括2009年3月24日在日本专利办公室提交的日本优先权专利申请JP 2009-072909中公开的主题，这里并入其全部内容作为参考。
本领域技术人员应注意能根据设计要求或其它因素做出各种修改、组合、亚组合和替换，只要它们在权利要求或其等效文本的范围内。
权利要求
1.一种致动器，其包括离子导电聚合物层，由第一离子导电聚合物制成；一对电极层，其被设置成在所述离子导电聚合物层的每一侧上一个，并由第二离子导 电聚合物和导电粉制成；和离子，其被包括在所述离子导电聚合物层和电极层中，其中，所述第一离子导电聚合物和第二离子导电聚合物的官能团类型彼此不同。
2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于所述第一离子导电聚合物和第二离子导电聚合物的官能团极性彼此不同。
3.根据权利要求2所述的致动器，其特征在于所述第一离子导电聚合物具有阴离子性官能团，并且所述第二离子导电聚合物具有阳 离子性官能团。
4.根据权利要求3所述的致动器，其特征在于 所述第一离子导电聚合物具有磺酸基团或羧基团。
5.根据权利要求3所述的致动器，其特征在于 所述第二离子导电聚合物具有季铵团。
6.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于 所述离子是离子液。
7.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于 所述导电粉是碳粉。
8.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于 金属导电层被设置于各电极层上。
全文摘要
本发明涉及一种致动器，该致动器包括离子导电聚合物层，由第一离子导电聚合物制成；一对电极层，其被设置于离子导电聚合物层的各侧并由第二离子导电聚合物和导电粉制成；和离子，其被包括在所述离子导电聚合物层和电极层中，其中，第一离子导电聚合物和第二离子导电聚合物的官能团类型彼此不同。
文档编号H02N2/00GK101847941SQ20101014385
公开日2010年9月29日 申请日期2010年3月17日 优先权日2009年3月24日
发明者永井信之, 菅泽昌之, 村上一臣 申请人:索尼公司